生物基二丁基衣康酸酯弹性体中动态离子键演化与性能调控机制研究

本研究针对传统硫化橡胶不可回收的瓶颈问题，创新性地利用氧化锌(ZnO)与羧基化聚二丁基衣康酸酯(PDBIBA)构建动态离子交联网络。通过FTIR、DMA、TEM等技术证实ZnO含量调控可形成可逆锌羧酸盐键，使材料拉伸强度提升467%，并实现温度响应性重构，为可持续生物基弹性体设计提供新策略。

　　

在橡胶工业领域，传统硫化工艺通过不可逆共价交联赋予材料优异机械性能，却导致回收困难这一"黑色污染"难题。随着环保需求日益迫切，科学家们将目光投向具有可逆特性的离子交联弹性体。其中，源自玉米、甘蔗等作物的生物基单体二丁基衣康酸酯(DBI)因其可再生特性备受关注，但由其合成的聚二丁基衣康酸酯(PDBIBA)弹性体的离子交联机制尚未明晰。

中国国家自然科学基金资助项目团队通过创新性地将氧化锌(ZnO)引入PDBIBA体系，系统研究了动态离子键的演化规律。研究人员采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)确认了锌羧酸盐键的形成，结合动态机械分析(DMA)和透射电镜(TEM)揭示了ZnO含量对微观结构的调控作用，并利用低场核磁共振(NMR)和橡胶加工分析仪(RPA)阐明了温度驱动的可逆交联机制。

【FTIR表征】
通过对比不同ZnO含量(2-15 phr)PDBIBA的红外光谱，发现1712 cm^-1处羧酸羰基峰随ZnO增加逐渐减弱，同时在1580 cm^-1和1390 cm^-1处出现锌羧酸盐特征峰。当ZnO超过5 phr时，游离ZnO的聚集导致谱图在400-500 cm^-1出现新峰，表明发生了相分离。

【力学性能】
拉伸测试显示2 phr ZnO样品拉伸强度达6.2 MPa，较未交联样品提升467%。但过量ZnO(>5 phr)因形成宏观团聚体，导致强度下降至4.5 MPa。小角X射线散射(SAXS)测得离子多重态半径在0.88-2.98 nm范围，符合Eisenberg理论模型。

【温度响应性】
DMA测试发现储能模量在80-120°C区间显著下降，对应离子键解离温度。RPA频率扫描显示高温下复数粘度下降2个数量级，证实网络结构可逆解离。热循环实验表明材料经过5次加热-冷却循环后，力学性能恢复率仍保持90%以上。

这项发表于《Polymer》的研究具有双重突破意义：一方面首次阐明了PDBIBA中锌羧酸盐键的动态演化规律，通过精确控制ZnO含量实现强度与可回收性的平衡；另一方面开发出完全基于生物质的温度响应性弹性体，其467%的强度提升远超同类材料。该工作为发展"绿色橡胶"提供了新思路，相关机理对指导其他离子弹性体设计具有普适价值。特别值得注意的是，研究中发现的0.88-2.98 nm离子多重态尺寸范围，为完善Eisenberg离子聚集理论提供了重要实验依据。